某项目A区超高层剪力墙结构的分析设计

来武清，包洪余，杨越

（中机中联工程有限公司，重庆 400039）

1 工程概况

重庆融创·凯旋路项目A区包含3栋（1#、2#和3#楼）超高层住宅建筑，结构形式为剪力墙结构。从嵌固端算起的结构高度，1#楼为181.90m；2#、3#楼为182.50m，结构高度均超过B级高度限制。

结构存在扭转不规则、凸凹不规则、楼板局部不连续等3项不规则。单体的典型结构平面如图1所示。结构底部存在两层通高的抗震不利因素。

图1 结构平面布置图

该工程的抗震性能设计目标为D级[1,3]。

针对工程的超限情况和性能目标的要求，对结构进行了小震、中震、大震下的详细分析和其他针对性的补充分析验算。以1#楼为例，对分析计算结果进行介绍。

2 结构的小震弹性反应谱对比分析

在小震弹性反应谱分析时，采用satwe和midas building两款软件对结构的常规参数（质量、周期、阵型、刚度比、抗剪承载力之比、作用力、位移、位移比、剪重比、整体稳定、轴压比、舒适度）进行了详细的对比分析，主要对比结果如表1所示。

表1 小震弹性反应谱指标对比

两款软件计算的小震反应谱结果吻合良好，验证了模型的正确性和合理性。

3 小震弹性时程分析

该工程进行了地震安全性评估，《安评》建议的地震动参数比规范[1-2]的地震动参数大，故分析设计时采用《安评》建议的地震动参数。根据规范[1-2]的选波原则选取两条人工波（rgb1、rgb2）和5条天波（Usa00361、Usa00683 Usa00684、Usa00707、Usa00867）进行时程分析。地震波的地震影响系数与《安评》反应谱的地震影响系数对比如图2所示。

图2 地震波与《安评》反应谱地震影响系数比较

在前三阶周期点上的地震影响系数比较如表2所示。

表2 主要周期点上地震影响系数比较

由表2可知，多条地震波的平均地震影响系数和安评反应谱地震影响系数在统计意义上相符。

各条波计算的底层剪力与CQC法计算的底层剪力对比如表3所示。

表3 小震弹性时程底层剪力与CQC法底层剪力的比较（kN）

可见，每条地震波计算的底部剪力与振型分解反应谱法计算结果之间的误差均在35%以内，7条波计算的平均底部剪力与振型分解反应谱法计算结果之间的误差在20%以内。验证了所选地震波的有效性和结构模型的合理性。取7条波弹性时程计算的平均值与反应谱法的较大值进行强度设计。

4 大震弹塑性动力时程分析

采用SAUSAGE软件，选取了2条天然波（USA00707、USA00683）和1条人工波（rgb1）对结构进行了弹塑性动力时程分析。

结构的底层剪力时程曲线如图3。

图3 结构底层剪力时程曲线

大震弹塑性计算的基底剪力如表4。

可见，大震弹塑性动力时程计算的基底剪力比大震弹性反应谱计算的基底剪力小。说明结构在大震弹塑性动力时程分析时发生了塑性损伤，结构刚度减小，故地震作用剪力减小。

顶点位移和最大层间位移角如表5所示。

可见，各条波的大震动力弹塑性时程分析的层间位移角均满足规范的弹塑性层间位移角限值（1/100）的要求。

计算发现，在大震地震波作用下结构的2F和3F层间位移角明显偏大，如图4所示。原因在于1F～3F两层通高，造成此两层在大震下的反应较大。对此，在穿层剪力墙的边缘构件中增加型钢，以提高其变形能力和抗震性能。加型钢前后的大震动力弹塑性时程分析层间位移角对比如图4所示。

表4 大震弹塑性时程最大基底剪力对比

表5 大震弹塑性时程顶点位移及最大层间位移角

图4 楼层最大层间位移角曲线

结构底部穿层墙加型钢后，底部楼层（2F和3F）层间位移角明显偏大的现象得到改善，且薄弱楼层没有转移，层间位移角沿楼层分布均匀。

框架的损伤分布和剪力墙的损伤分布如图5和图6所示。

图5 框架损伤分布

图6 剪力墙损伤分布

可见，结构的损伤主要集中在左上和右上角的剪力墙。采取提高其配筋率和配箍率的措施进行加强。

5 穿层墙肢的补充分析

性能设计时对穿层墙提出了中震弹性、大震不屈服的抗震性能目标。1#楼的穿层墙编号如图7所示。

图7 1#楼穿层墙编号

用墙肢实际配筋分别计算墙肢截面弹性和不屈服的N-M（轴力-弯矩）相关曲线。分别将等效弹性法计算的中震、大震下的墙肢的各荷载工况组合下的（M,N）点绘于墙肢的N-M相关曲线的图上，如图8和图9所示。

图8 Q1穿层墙N-M相关曲线及内力点

由图8可知，位于结构下部左右两侧的Q1在大震下的墙肢出现较大拉力，通过增加型钢（延伸埋入基础内）的方式来抗拔。增加型钢之前大震内力点处于N-M相关曲线外，增加型钢后大震内力点处于N-M相关曲线内。可见通过增加型钢抗拔的措施后，Q1能满足中震弹性大震不屈服的性能目标。

图9 Q2～Q10穿层墙N-M相关曲线及内力点

由图9可知，Q2～Q10穿层墙的中震下各工况组合内力点均落在弹性N-M相关曲线内，大震内力点均落在不屈服N-M相关曲线内。表明穿层墙在中震作用下处于弹性状态，在大震作用下处于不屈服状态。穿层墙能满足中震弹性、大震不屈服的性能目标。

表6 穿层墙肢稳定性验算表

此外，穿层墙肢两层通高高度为8m，按照《高规》附录D进行穿层墙肢的稳定性验算，如表6所示。

可见，穿层墙均能满足大震下的墙肢稳定性要求。

6 超限措施

按照概念设计和性能设计[3-4]的思路和原则，结合以上分析结果，对结构构件从如下几个方面进行加强。

（1）对穿层墙，通过增设型钢、增大边缘构件纵筋和箍筋、增大墙身分布筋配筋率、控制轴压比的方式提高其抗震性能。

（2）对于大震下受拉的墙肢（Q1），增设型钢，将型钢延伸埋入基础内，以抵抗墙肢的拉力，同时增大纵筋、箍筋和分布筋的配置。

（3）对损伤集中的左上和右上角的剪力墙，采取提高其边缘构件纵筋率和配箍率、墙身分布筋配筋率的措施进行加强。

（4）对于连梁，通过配置对角斜向钢筋、提高纵筋率和箍筋率的方式提高抗剪能力和耗能能力。

（5）对于应力集中的楼板区域，采取加大板厚、配筋双层双向加大的方式进行加强。

（6）其他有针对性的加强措施。

7 结论

该工程1#、2#（3#）塔楼为超B级高度剪力墙结构，底部两层通高，且存在扭转不规则、凸凹不规则、楼板局部不连续3项不规则。对结构进行了概念设计和抗震性能化设计。采用多种计算程序对结构进行了小、中、大震下的详细分析和其他有针对性的补充分析。并根据计算结果对结构构件提出了有针对性的超限措施。

综上所述，结构设计合理有效，并且安全可行。

[1]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程 [S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程运用于分析JGJ3-2010[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[4]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.